第二章 相關文獻回顧與探討
第一節 太陽輻射能基本理論
第二章 相關文獻回顧與探討
本章首先從太陽輻射能基本理論切入，探討熱傳基本理論之計 算基礎，整理熱傳遞及熱傳遞係數 U 之相關理論文獻，並探討室內 熱舒適性相關指標（例如 PMV 指標），以及整理有關屋頂綠化相關 文獻資料，以作為本研究後續分析之基礎。
第一節 太陽輻射能基本理論
供給地球周圍大氣熱量主要有三種來源，分別是太陽、其他星 體以及地球本身之地熱。惟地球距離其他發熱星體距離太遠，所接 受之熱能極小，此外地球本身傳遞給大氣的熱量也很少，均可忽略 不計，故一般認為太陽輻射能應是地球大氣層最主要的熱源，亦即 太陽輻射能是影響氣候之主要因素，也是建築物外部熱條件之主要 來源。
太陽輻射能照射地球大氣層時，一部分會被雲層反射回宇宙空 間，其餘部分則分別會被大氣中各種氣體分子所散射，或是被大氣 中之臭氧、二氧化碳或水分子等吸收，最後剩餘部分才會直射到達 地表面，此時其太陽輻射強度已大為減弱，如圖 2-1 所示。
圖 2-1 太陽輻射熱交換示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
8
到達地面之直接輻射與散射輻射之和稱為總輻射，亦即所謂太 陽輻射，其中直接輻射係以平行光方式直接投射於地表面，散射輻 射則係被空氣中的氣體分子或浮游灰塵所反射而朝四向散射。
通過大氣層透過陽光的程度稱之為大氣透明度，亦即為大氣透 明係數 P，P 值與太陽高度角 h 及大氣層厚度有關，當太陽高度角 越低，則陽光透過大氣層越厚，大氣透明度 P 值也越小；反之，當 太陽高度角為 90°時，陽光透過大氣層最薄，大氣透明度也最高，
定義此時之 P 值為 1，故 P 值在任何情況下都小於或等於 1。
若以大氣層厚度來衡量大氣透明度，稱為大氣質量 m，在地球 表面上，大氣質量 m 在任何情況下都大於或等於 1，如圖 2-2 所示。
圖中 O 點為地球海平面觀測點，並假設當 O 點垂直向上到大氣層上 界 A 點時之 m 值為 1，此時即稱為「一個大氣質量」。故圖中 A'點 之大氣質量可用下式求得：
假設 OA=1 OA'=m 則 sinh =m1
m = sinh1 = csch （2-1）
圖 2-2 大氣質量示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
影響太陽輻射強度之因素包括：地理緯度、太陽高度角、大氣
第二章 相關文獻回顧與探討
9
透明度、天空雲量及海拔高度等。在大地水平面上，太陽直接輻射 強度與太陽高度角、大氣透明度成正比。在低緯度地區，太陽高度 角高，陽光通過大氣層厚度較薄，大氣透明度就大，故太陽直接輻 射強度較大，如圖 2-3 中之 a 點所示。反之，於高緯度地區之太陽 高度角較低，陽光通過之大氣層厚度較厚，大氣透明度也較小，故 太陽直接輻射強度較小，如圖 2-3 中之 b 點所示。
圖 2-3 地表不同緯度之日照情況示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
每日於正午太陽高度角較高，陽光通過之大氣層較薄，因此太 陽直接輻射強度較大；於清晨及傍晚，太陽高度角較低，陽光通過 之大氣層較厚，因此太陽直接輻射強度較小，如圖 2-4 所示。
圖 2-4 每日正午與傍晚之日照情況示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
10
此外，在海拔高度較高處，大氣中的雲量與灰塵較少，陽光通 過之大氣層較薄，故太陽輻射強度較大。太陽輻射強度與海拔高度 之關係如圖 2-5 所示。
圖 2-5 太陽輻射強度與海拔高度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
至於散射輻射強度，與太陽高度角成正比，與大氣透明度成反 比。例如在海拔較高處，大氣透明度大，散射輻射強度則較小；天 空有雲時，散射輻射強度較無雲時還大。在高緯度地區若地表面有 積雪覆蓋，因雪的反射能力較強，故散射輻射會較大。此外在陰影 處或室內，雖然沒有直射陽光卻仍有光線，即太陽散射輻射所致。
於大氣層表面，垂直於大氣層之太陽輻射能量，與太陽及地球 間之距離平方成反比。此處定義太陽常數 S0來表示太陽照射到地球 之輻射能量，其係指太陽與地球間距離為平均距離（1496×105km）
時，於大氣層表面（此時無大氣影響）垂直於太陽光線之單位面積、
單位時間所接受之太陽輻射能。於氣候理論計算中，太陽常數值為：
S0=1.94 cal/(cm2×分鐘) 或 1164 kcal/(m2×小時) （2-2）
當太陽與地球間位置變更時，則太陽常數將修正為 S0/r2。當太 陽輻射通過大氣層時被反射、散射與吸收，此時到達地表面之太陽
第二章 相關文獻回顧與探討
11
輻射強度減弱很多。假設地球水平面上之太陽直接輻射強度為 Sn， 地球垂直面上之太陽直接輻射強度為 Sv，則其公式為：
Sn = S0Pcschr×sinh2 （2-3）
Sv = S0Pcsch×cosh×cos (A−α)
r2 （2-4）
上式中
S0為太陽常數 P 為大氣透明度 csch 為大氣質量 m h 為太陽高度角 A 為太陽方位角
r 為以地球與太陽間之距離平均值作為單位，簡化計算可取值 為 1
α為垂直面之外向法線的方位角
當 r 值取為 1 時，則上述公式可簡化為：
Sn = S0× Pcsch× sinh （2-5）
Sv = S0× Pcsch × cosh × cos (A − α) （2-6）
然而在建築實際設計中，須利用太陽輻射強度資料時，應盡量 採用當地實測資料，這樣更符合實際情況。若無法取得實測資料時，
再利用上述公式求取。一般來說實測值均會大於理論計算值，此乃 因上述理論計算值僅考量太陽直接輻射，而實測值除含太陽直接輻 射外，另還包含來自周遭環境之散射輻射。
若於夏季最熱月份分別針對不同緯度地區進行該地水平面上太 陽輻射強度實測，整理如圖 2-6 所示，可看出各緯度地區太陽輻射 強度於一日中之變化，其中太陽輻射強度於高緯度地區較弱，於低 緯度地區則較強，且太陽輻射最高值皆發生於當地時間之正午。
12
圖 2-6 不同緯度地區水平面上太陽輻射強度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
若以相同緯度但不同朝向，進行該地垂直面之太陽輻射強度量 測，則會發現其量測結果並不相同。舉例來說，若以北緯 23°地區 為例，於夏季最熱月份，分別量測不同朝向垂直面之太陽輻射值，
可發現以東、西向最大，其次是南向，北向最小，且出現最大值知 時間，通常是太陽光線接近垂直於這個朝向的時刻，如圖 2-7 所示。
至於其他緯度地區之太陽輻射強度變化規律，均與此相近，僅輻射 強度不同。
圖 2-7 北緯 23°地區各主要朝向垂直面上太陽輻射強度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
第二章 相關文獻回顧與探討
13
綜合上述說明，若能統計實測太陽輻射強度，掌握日照資料，
對於建築物之隔熱、採暖、採光、建築物之設計朝向，乃至太陽能 之利用，均有很大幫助。